曹利波
(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶 400039)
在國(guó)內(nèi)煤礦行業(yè),運(yùn)行著數(shù)以千計(jì)的安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)[1],以及其它各類監(jiān)控系統(tǒng),由于是各個(gè)制造廠各自設(shè)計(jì)各自生產(chǎn),沒有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)要求,功能各異,也沒有統(tǒng)一的通信接口和軟件協(xié)議,造成類型眾多,接口不一,使得系統(tǒng)復(fù)雜,維修不便,是目前數(shù)據(jù)難以融合和共享的主要障礙。
針對(duì)目前監(jiān)控分站的現(xiàn)狀,設(shè)計(jì)了一種基于現(xiàn)場(chǎng)可編程(PLC)的監(jiān)控分站,其能夠方便的接入各類傳感器,并將傳感器的數(shù)據(jù)上傳至主站。又能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要,編制數(shù)據(jù)處理和控制流程,實(shí)現(xiàn)分布式PLC[2]控制,也能夠根據(jù)上位機(jī)指令實(shí)行遠(yuǎn)程控制。
分站的微處理器采用STM32F427[3],其處理速度快、程序空間和數(shù)據(jù)空間足夠大,能夠滿足程序解釋執(zhí)行PLC語(yǔ)句的需要。硬件結(jié)構(gòu)和接口圖如圖1。
圖1 硬件結(jié)構(gòu)和接口圖
分站有8/16個(gè)開關(guān)量型或脈沖信號(hào)型和頻率型信號(hào)接口,使用時(shí)通過(guò)屬性設(shè)置,使其成為開關(guān)量接口、脈沖頻率接口或者累加量接口,以適應(yīng)不同傳感器要求[4-5]。接口用光電隔離,能抑制現(xiàn)場(chǎng)干擾。
分站能接入16個(gè)傳感器類設(shè)備的RS485信號(hào),信號(hào)通過(guò)一個(gè)隔離式RS485口接入。傳感器通過(guò)地址編碼識(shí)別,通過(guò)監(jiān)控分站輪詢來(lái)傳輸數(shù)據(jù)[6]。每個(gè)傳感器分站支持4個(gè)數(shù)據(jù)量,這樣使得分站數(shù)據(jù)量大幅增加。同時(shí),可加入1個(gè)或多個(gè)執(zhí)行分站,遠(yuǎn)程執(zhí)行監(jiān)控分站下達(dá)的控制指令,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。
分站具有8個(gè)控制量隔離輸出,用于控制執(zhí)行器,通過(guò)內(nèi)部PLC設(shè)置,實(shí)現(xiàn)諸如風(fēng)電瓦斯閉鎖、風(fēng)機(jī)排瓦斯自動(dòng)控制、水倉(cāng)水位的控制等功能。
分站有1個(gè)RS485和以太網(wǎng)接口[7],用于與主站的通信,滿足各類通信要求。分站有聲光報(bào)警。
1)模塊1:開關(guān)量和頻率量采集模塊。該模塊以6N137高速光耦作為隔離器件,以2.5萬(wàn)次/s的采樣速率采集輸入接口的信號(hào)變化,根據(jù)接口屬性將數(shù)據(jù)存入對(duì)應(yīng)變量單元。根據(jù)奈奎斯特采樣定理[8],2.5萬(wàn)次/s的采樣速率能保證1.2萬(wàn)次信號(hào)變化不失真,保證了采樣精度的實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè),在10 kHz下,監(jiān)控分站能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的采樣,不丟失1 Hz數(shù)據(jù)。目前煤礦使用頻率型信號(hào)的傳感器主要為200~1 000 Hz,也有 200~2 000 Hz,個(gè)別的也有 10 kHz,足以滿足此類傳感器的需要。
2)模塊2:智能傳感器RS485接口模塊。該模塊用隔離RS485電路,保證主電路與傳感器電路的電氣隔離,并保證數(shù)據(jù)能夠互通。軟件采用監(jiān)控分站輪詢方式對(duì)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[9],采集到的數(shù)據(jù)放置到對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)單元。
3)模塊3:輸出控制模塊。該模塊在電路上對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行光電隔離后輸出到接口,保證與主電路的電氣隔離。在核心軟件監(jiān)控分站內(nèi)部PLC運(yùn)算結(jié)果輸出后,接口能夠驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備,比如執(zhí)行器,用于控制相應(yīng)設(shè)備。
4)模塊4:顯示和鍵盤接口。本監(jiān)控分站使用128×64點(diǎn)陣的液晶顯示數(shù)據(jù),漢字英文均可顯示。監(jiān)控分站使用遙控器發(fā)出鍵盤操作指令,紅外方式接收鍵盤指令后驅(qū)動(dòng)顯示模塊顯示相關(guān)數(shù)據(jù),所有采集的數(shù)據(jù)均可實(shí)現(xiàn)原碼和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的就地顯示。
5)模塊5:RS485與以太網(wǎng)的主站通信[10]模塊。模塊可以接收主站的數(shù)據(jù)采集指令,輸出返回?cái)?shù)據(jù);可以接收主站的指令控制對(duì)應(yīng)設(shè)備,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程閉鎖。同時(shí)根據(jù)生產(chǎn)需要可以改變監(jiān)控分站的PLC設(shè)置,實(shí)現(xiàn)監(jiān)控分站的遠(yuǎn)程維護(hù)[10]。
6)模塊6:電源模塊。監(jiān)控分站使用18 V直流本安電源,隔離開關(guān)電源DC/DC,通過(guò)2路分別供向主電路5 V和其它傳感器以及控制電路(含有電流限制路)。
7)模塊7:PLC模塊[11]。該模塊是監(jiān)控分站的核心模塊,PLC模塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖如圖2。
圖2 PLC模塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖
PLC模塊數(shù)據(jù)接口定義主要有:①部計(jì)數(shù)器:00-T99;②內(nèi)部信號(hào)寄存器:01-x99;③信號(hào)數(shù)據(jù):對(duì)于8信號(hào)頻率、開關(guān)輸入型監(jiān)控分站定義為A,信號(hào)1~信號(hào)11為開關(guān)量或頻率量,信號(hào)12~信號(hào)19為輸出控制量,B1為智能1號(hào)傳感器的第1模擬量,B2為智能1號(hào)傳感器的第2模擬量,以下類推……,C1為智能2號(hào)傳感器的第1模擬量,C2為智能2號(hào)傳感器的第2模擬量,以下類推。
PLC的基本語(yǔ)句格式為:邏輯指令寄存器或繼電器操作符操作數(shù)據(jù)或狀態(tài)。
邏輯指令:求分站PLC執(zhí)行的動(dòng)作。要有6種,D、AND、OR、XOR、OUT、END。
操作符:要對(duì)寄存器或繼電器進(jìn)行的比對(duì)、賦值等操作。主要有 6,即=、≠、≤、<、≥、>。
定值:V1~V20。
風(fēng)電甲烷閉鎖的要求如下:①當(dāng)甲烷濃度達(dá)到1.5%時(shí),分站應(yīng)能通過(guò)斷電執(zhí)行器切斷動(dòng)力電源并閉鎖,同時(shí)發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào);②當(dāng)甲烷濃度達(dá)到1.0%時(shí),分站應(yīng)能通過(guò)斷電執(zhí)行器切斷動(dòng)力電源并閉鎖,同時(shí)發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào);③當(dāng)甲烷濃度達(dá)到0.5%時(shí),分站應(yīng)能通過(guò)斷電執(zhí)行器切斷動(dòng)力電源并閉鎖,同時(shí)發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào);④當(dāng)甲烷濃度達(dá)到3.0%時(shí),分站應(yīng)能通過(guò)斷電執(zhí)行器切斷動(dòng)力電源并閉鎖,同時(shí)發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào);⑤當(dāng)局部通風(fēng)筒信號(hào)斷開時(shí),分站應(yīng)能通過(guò)斷電執(zhí)行器切斷動(dòng)力電源并閉鎖。
完成這些功能的PLC執(zhí)行程序如下:
第1行 LD A4 >= 中間變量 V1
第2行 OR X34 = 立即數(shù) 1
第3行 OUT Z12 = 立即數(shù) 1
第4行 OUT A12 = 立即數(shù) 0
第5行 LD A4 < 中間變量 V2
第6行 AND X34 = 立即數(shù) 0
第7行 OUT Z12 = 立即數(shù) 0
第8行 OUT A12 = 立即數(shù) 1
第9行 LD A5 >= 中間變量 V3
第10行 OR X35 = 立即數(shù) 1
第11行 OUT Z13 = 立即數(shù) 1
第12行 OUT A13 = 立即數(shù) 0
第13行 LD A5 < 中間變量 V4
第14行 AND X35 = 立即數(shù) 0
第15行 OUT Z13 = 立即數(shù) 0
第16行 OUT A13 = 立即數(shù) 1
第17行 LD A6 >= 中間變量 V5
第18行 OR X36 = 立即數(shù) 1
第19行 OUT Z14 = 立即數(shù) 1
第20行 OUT A14 = 立即數(shù) 0
第21行 LD A6 < 中間變量 V6
第22行 AND X36 = 立即數(shù) 0
第23行 OUT Z14 = 立即數(shù) 0
第24行 OUT A14 = 立即數(shù) 1
第25行 LD A6 >= 中間變量 V7
第26行 OR X36 = 立即數(shù) 1
第27行 OUT A15 = 立即數(shù) 0
第28行 LD A6 < 中間變量 V8
第29行 AND X36 = 立即數(shù) 0
第30行 OUT A15 = 立即數(shù) 1
第31行 LD A8 = 立即數(shù) 0
第32行 OUT A16 = 立即數(shù) 1
第33行 LD A8 = 立即數(shù) 1
第34行 OUT A16 = 立即數(shù) 0
第35行 LD A9 = 立即數(shù) 0
第36行 OUT A17 = 立即數(shù) 1
第37行 LD A9 = 立即數(shù) 1
第38行 OUT A17 = 立即數(shù) 0
第39行 LD Z12 = 立即數(shù) 1
第40行 OR Z13 = 立即數(shù) 1
第41行 OR Z14 = 立即數(shù) 1
第42行 OUT A20 = 立即數(shù) 1
第43行 LD Z12 = 立即數(shù) 0
第44行 AND Z13 = 立即數(shù) 0
第45行 AND Z14 = 立即數(shù) 0
第46行 OUT A20 = 立即數(shù) 0
第47行 END
設(shè)計(jì)了具有分布式PLC通用功能的監(jiān)控分站,它既能夠采集開關(guān)和脈沖數(shù)據(jù),也能夠通過(guò)RS485接口采集智能傳感器的數(shù)據(jù);并將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行組合,用于通過(guò)監(jiān)控分站控制開關(guān)量;分站融合了幾類傳感器的數(shù)據(jù)接入,滿足了數(shù)據(jù)共享的需求。